開關柜局部放電暫態對地電壓的分布特性探討

摘 要：隨著近幾年來科學技術的迅速發展，暫態對地電壓技術在開關柜局部放電帶電中的運用越來越廣泛，暫態對地電壓技術能夠對開關柜局部放電帶電檢測中的運用提供更好的理論基礎，因而我們需要對該技術不斷的研究分析，從而提高暫態對地電壓技術的使用效果。文章主要通過分析暫態對地電壓技術的測量原理，并利用全波三維電磁場仿真軟件對其進行仿真分析，對其分布特性進行探討并驗證相關結果，從而研究出更有效的技術理論依據。

關鍵詞：開關柜；局部放電；暫態對地電壓；分布特性

開關柜是電力系統進行發電、輸電、配電和電能轉換的重要電氣設備，其運行是否安全對變電站的供電的可靠性有著重要影響，由于局部放電會導致相關設備發生絕緣劣化，從而產生開關柜事故發生，危害到人們的生命及財產安全，因而我們需要對開關柜設備進行局部放電檢測，以便及時檢測開關柜設備是否正常運行。開關柜設備中局部放電檢測除了超聲波法、脈沖電流法、超高頻法、暫態對地電壓技術等，暫態對地電壓技術是目前局部放電檢測方法中較為準確且靈敏度較高的技術，我們通過仿真分析對暫態對地電壓技術的分布特性及技術應用等方面進一步研究，從而提高其運用效果。

1 暫態對地電壓技術的檢測原理

高壓電氣設備會因介質內部或表面的電場強度過高而出現局部放電現象，其出現局部放電時會先在設備與放電點相鄰的接地金屬部分聚集放電電量，從而形成電流脈沖，并傳播向各個方向，而內部放電的放電電量會聚集在接地屏蔽的內表部分，因而當屏蔽層是連續狀態時難以從外部檢測放電信號。[1]但由于屏蔽層的絕緣部位、墊圈連接處、電纜終端等部位的會出現破損，常常導致其不連續，當發生局部放電時高頻信號便能通過其傳輸到設備外層。當局部放電產生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關的襯墊來傳播，同時會出現暫態電壓脈沖并通過設備對地產生一定的影響，由于此現象由Dr John Reeves于1974年首先發現，并命名為Transient Earth Voltage，我們將暫態對地電壓技術簡寫為TEV技術，目前TEV檢測技術中的設備大都采用電容性探測器來進行檢測。一般當電纜或母線室出現局部放電并產生在極短的時間內的相應弱電脈沖電流時，設備的金屬外殼上會出現對地電壓，且其電壓、電流脈沖會嚴重設備的縫隙處傳出，再從金屬外殼的外表面傳播至大地。由于影響局部放電測量的因素較多，我們在利用TEV檢測技術時采用相對讀數來表示，從而分析局部放電的具體情況，判斷其是否影響嚴重。局部放電的幅值和放電脈沖頻率等參數是TEV檢測技術重要數據，我們可提前通過相關傳感器進行測量。在不考慮電磁波發生折射或反射的情況時，電磁波會以一定的速度進行傳播，由于其具有傳播衰減的特性，不同探測點其所能達到的距離也不相同，并且具有一定的觸發時間差，我們通過對其進行分析研究，從而得出局部放電點的定位，實現TEV檢測技術的準確應用。

2 仿真分析

由于TEV需要分析電磁場的時域場量、電流、波形等，因而我們采用時域有限差分法的全波三維電磁場仿真軟件建立開關柜仿真模型并進行實際測量分析。

2.1 建立仿真模型

我們利用仿真軟件建立由金屬柜體和線電流源構成的仿真模型結構，一般選擇6個TEV探測點，并設置好適合的柜體尺寸，柜體的金屬也有約10mm的厚度。在柜體底部對柜體的外表面開窗，同時為了準確的知曉放電電流在柜體外表面的具體傳播情況，我們在模型中金屬柜體材料還需要設置相應的相對介電常數以及電導率等參數。通過施加了高斯脈沖激勵的線電流源模擬出局部放電源，并改變高斯脈沖的時間、幅值等參數的出不同特性的放電源，從而確保TEV檢測技術開關柜局部放電情況的研究。

2.2 對仿真結果進行分析

由于測量需要確定TEV信號，我們需要在柜體外表面的開窗的四個角布置4個測試點，并在外表面的下部底角部分布置兩個測試點。分別并聯一個與波阻抗等值的店主在每個測試點，進而能夠得到測試點的表面電流，從而求得暫態對地電壓的值。此外，[2]因高斯脈沖的激勵源設置于柜體的中央部分，其對稱設置的探測點TEV信號的仿真結果也相同，分析不同測試點的TEV波形及TEV幅值，可以知曉靠近柜體開窗出的探測點的TEV幅值要大于底角出探測點的TEV幅值，并且分析出TEV幅值的會隨著檢測距離以及縫隙距離的增大而減小。

2.3 實測結果分析

為確定全波三維電磁場仿真軟件分析開關柜局部放電TEV的分布特性的準確性及可行性，我們可通過相應的示波器及自制TEV傳感器來進行試驗，傳感器需要設置相應的絕緣層以保護傳感器主體。將傳感器放在金屬柜體表面，通過傳感器、金屬柜體及絕緣材料構成一個平板電容器，而當金屬柜體表面受到影響出現電荷變化時傳感器主體也能及時感應，并通過同軸電纜傳輸到相應的示波器。當進行局部放電測試時，按照仿真模型所設置的探測點位置，將TEV傳感器分別布置在柜體外表面，同時在柜體重點部分設置高斯脈沖放電發生裝置，便于模擬開關柜的局部放電情況，當改變不同的放電管裝置時得出不同幅值與寬度所產生的脈沖信號，并通過TEV傳感器反應到示波器中，從而得出不同探測點的TEV波形。

我們通過對TEV幅值的波形比較分析，發現靠近柜體開窗部分的探測點的幅值要大于底角出探測點的TEV幅值，而TEV幅值也是呈衰減分布，與實測結果與仿真結果一致，從而保證利用全波三維電磁場仿真軟件分析TEV的分布特性確實可行。

3 典型的開關柜仿真分析

典型的局部放電模型是根據引起開關柜放電故障的缺陷來進行設計建立的，一般有電暈放電的針板電極系統結構、固體絕緣內部氣隙放電的電極系統結構、懸浮放電的電極系統結構。而通過將全波三維電磁場仿真軟件運用與其結構設計中，能夠有效的分析TEV的分布特性。建立相應的仿真模型，并設置相應的探測點，可根據其柜體的整體對稱性早柜體下部布置36個測試點，上部布置6個，從而計算出TEV值，之后分析柜體的表面場強分布特性，從而判斷輻射強度。偶遇柜體的結構不連續，所以柜體表面的電磁波分布情況也比較復雜，通過分析發現當不連續部分的電磁波經折射和反射后增強了電場，從而提高了電流密度，使得TEV信號增強。[3]而通過示波器對TEV值分析，說明了隨著檢測距離的增加，局部場強是不斷在減小的，而根據不同測試點的布置情況分析出局部放電信號產生的電磁波對開關柜的電場影響問題，從而能夠更加準確的分析局部放電源的位置。

4 結束語

綜上所述，由于近幾年TEV技術廣泛應用開關柜局部放電測量，因而需要找到正確的探測位置，通過分析可以判斷探測點在靠近縫隙出時TEV信號更大，而傳感器應布置于柜體的接縫、墊圈處，從而確保得出準確的TEV值。

參考文獻

[1]王有元，李寅偉，陸國俊，等.開關柜局部放電暫態對地電壓傳播特性的仿真分析[J].高電壓技術，2011，07：1683-1688.

[2]任明，彭華東，陳曉清，等.采用暫態對地電壓法綜合檢測開關柜局部放電[J].高電壓技術，2010，10：2460-2466.

[3]黃超，李銳鵬，余英，等.多面開關柜表面暫態對地電壓的分布特性[J].廣東電力，2015，03：61-65.